JP6826888B2 - 測量装置、無人航空機の探索方法、測量システムおよびプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、無人航空機の位置を特定する技術に関する。
無人航空機（ＵＡＶ：(Unmanned aerial vehicle)）を測量に用いる技術が知られている。この技術では、ＧＮＳＳ(Global Navigation Satellite System）を用いた位置測定装置（所謂ＧＰＳ受信機）、ＩＭＵ（慣性航法装置）、高度計、カメラを搭載したＵＡＶを予め定めた経路に沿って飛行させて地上の撮影を行い、航空写真測量等を行う。
航空写真測量では、対空標識(基準点)の設置が必要となるが、その設置作業は煩雑なため、UAVを用いた航空写真測量では、カメラの位置データを高精度に把握することで、対空標識を用いない又は数を減らして写真測量を行うことができる。ところでUAVは、自律飛行のためGNSSを利用して自身の位置を特定できるが、原理的には単独測位であり、その位置決め精度には誤差がある。この誤差故に、UAVでは基準点の少ない写真測量に求められる精度は得られない。ＧＮＳＳを利用したより高精度の位置測定機器をＵＡＶに搭載する方法もあるが、機器の重量や消費電力の点で汎用のＵＡＶに搭載することは難しい。この問題に対する対応して、ＴＳ（トータルステーション）で飛行するＵＡＶを追尾し、ＴＳが備えるレーザー測距機能を用いてＵＡＶの位置を特定する方法がある（例えば、特許文献１を参照）。
ＵＳ２０１４／０２１０６６３号公報
上記のＴＳでＵＡＶを追尾する方法では、ＴＳが備えるターゲットの自動追尾機能が利用される。この技術では、探索用レーザー光でＵＡＶを捕捉および追尾する。ＵＡＶは、探索用レーザー光を入射方向に反射する反射プリズムを備え、この反射プリズムからの反射光をＴＳ側で検出することで、ＴＳによるＵＡＶの追尾が行われる。
一般にＵＡＶは、風の影響等で予期しない動きをする場合があり、ＴＳがＵＡＶを見失う場合がある。また、ＴＳによるＵＡＶの追尾中に、ＴＳとＵＡＶの間に木の枝や葉、鳥、電柱や電線といった障害物が追尾光を遮り、ＴＳがＵＡＶを見失う場合もある。
ＴＳはターゲットを探索する機能を備えているが、相手が空中を移動するＵＡＶの場合、見失ったＵＡＶを再び捕捉するのが困難な場合が多々ある（もちろん、上手くゆく場合もある）。この問題に対応する方法として、ＵＡＶの飛行計画を予めＴＳ側で把握しておき、この飛行計画に基づき、ＴＳの側でＵＡＶの飛行ルートを予測し、ＴＳによるＵＡＶの探索を行う方法が考えられる。
しかしながら、ＧＮＳＳを用いた測位技術は、特に高さ方向の計測精度が良くない。ＵＡＶは気圧変化を計測する形態の高度計を備えたものもあるが、天候の影響等で気圧の絶対値は変動するので、ＵＡＶ自身が正確に高度を計測することは難しい。
このため、ＵＡＶが実際の飛行計画の高度からずれた高度で飛行する場合が多々生じる。この場合、飛行計画に基づくＵＡＶの探索では高度方向に誤差に生じ、ＵＡＶの探索に支障が生じる。すなわち、ＵＡＶの高度情報の測位誤差に起因して、高さ方向で検討違いの方向をＴＳが探索する問題が生じる。また、安全上の観点から飛行中のＵＡＶを常に監視する技術が必要とされており、この技術にＴＳを用いたＵＡＶの追跡技術は利用できる。しかしながら、この場合もＴＳがＵＡＶを見失った場合の対処が問題となる。
このような背景において、本発明は、ＵＡＶの実際の飛行高度に飛行計画からのずれが生じた場合に、そのずれの影響を抑えてＵＡＶの探索を行う技術の提供を目的とする。
請求項１に記載の発明は、ＧＮＳＳを利用した位置の特定を行う装置およびターゲットを搭載した無人航空機の探索が可能な測量装置であって、レーザー光を利用して前記ターゲットの位置を算出するターゲット位置算出部と、前記ターゲット位置算出部において得た前記ターゲットの位置に基づく前記無人航空機の測定位置の情報を取得する測定位置取得部と、前記無人航空機の飛行計画から前記無人航空機の飛行予定位置の情報を取得する飛行予定位置取得部と、特定の時刻における前記測定位置と前記飛行予定位置の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定を行う探索範囲設定部とを備える測量装置である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記測定位置が測定高度であり、前記飛行予定位置が予定高度であることを特徴とする。請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記測定高度と前記予定高度の差を求める処理が繰り返し行われ、前記測定位置取得部による前記無人航空機の測定位置の取得が行えなくなった際に、その時点に最も近い時点における前記測定高度と前記予定高度の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定が行われることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記測定高度と前記予定高度の差を求める処理が繰り返し行われ、前記予定高度と前記測定高度の差の時間経過における推移に基づき、前記探索範囲の設定が行われることを特徴とする。請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか一項に記載の発明において、当該測量装置の位置は相対測位により予め特定されており、当該測量装置の前記予め特定された位置と当該測量装置の設置位置における単独測位により特定された位置の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定を行うことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、当該測量装置の前記予め特定された位置と当該測量装置の設置位置における単独測位により特定された位置の差Ａと前記特定の時刻における前記測定高度と前記予定高度の差Ｂを比較する比較部を備え、前記請求項５に記載の処理は、前記比較の結果が特定の条件を満足する場合に実行されることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、ＧＮＳＳを利用した位置の特定を行う装置およびターゲットを搭載した無人航空機の探索を行う方法であって、レーザー光を利用して前記ターゲットの位置を算出するターゲット位置算出ステップと、前記ターゲット位置算出ステップにおいて得た前記ターゲットの位置に基づく前記無人航空機の測定位置の情報を取得する測定位置取得ステップと、前記無人航空機の飛行計画から前記無人航空機の飛行予定位置の情報を取得する飛行予定位置取得ステップと、特定の時刻における前記測定位置と前記飛行予定位置の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定を行う探索範囲設定ステップとを有する無人航空機の探索方法である。
請求項８に記載の発明は、ＧＮＳＳを利用した位置の特定を行う装置およびターゲットを搭載した無人航空機の探索が可能な測量システムであって、レーザー光を利用して前記ターゲットの位置を算出するターゲット位置算出部と、前記ターゲット位置算出部において得た前記ターゲットの位置に基づく前記無人航空機の測定位置の情報を取得する測定位置取得部と、前記無人航空機の飛行計画から前記無人航空機の飛行予定位置の情報を取得する飛行予定位置取得部と、特定の時刻における前記測定位置と前記飛行予定位置の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定を行う探索範囲設定部とを備える測量システムである。
請求項９に記載の発明は、ＧＮＳＳを利用した位置の特定を行う装置およびターゲットを搭載した無人航空機の探索をコンピュータに行なわせるためのプログラムであって、コンピュータにレーザー光を利用して前記ターゲットの位置を算出するターゲット位置算出ステップと、前記ターゲット位置算出ステップにおいて得た前記ターゲットの位置に基づく前記無人航空機の測定位置の情報を取得する測定位置取得ステップと、前記無人航空機の飛行計画から前記無人航空機の飛行予定位置の情報を取得する飛行予定位置取得ステップと、特定の時刻における前記測定位置と前記飛行予定位置の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定を行う探索範囲設定ステップとを実行させるプログラムである。
本発明によれば、測量装置で無人航空機を追尾する技術において、見失った無人航空機の検出がより確実に行える。
ＵＡＶの位置の測定に係る原理図である。 トータルステーションのブロック図である。 ＵＡＶ探索用制御部のブロック図である。 ＴＳから見たＵＡＶの探索方向を求める原理を示す原理図（Ａ）および（Ｂ）である。 処理の手順の一例を示すフローチャートである。
１．第１の実施形態
（概要）
図１には、飛行するＵＡＶ (Unmanned aerial vehicle)と地上に配置されたＴＳ（トータルステーション）が示されている。ＵＡＶは、市販のものであり、予め定めた飛行ルートを自律飛行し、航空写真測量のための撮影を行う。もちろん、ＵＡＶの無線操縦による飛行制御も可能である。ＵＡＶは、カメラ、ＧＮＳＳを利用した位置測定装置（例えば、ＧＰＳ受信機）、ＩＭＵ（慣性航法装置）、高度計、予め定めた飛行経路および飛行ログを記憶する記憶部、飛行のための制御装置を備えている。
ＵＡＶは、自身が備えたＧＮＳＳを利用した位置特定装置とＩＭＵの機能を利用して、予め定められた航路を予め定められた速度で飛行する。なお、位置特定装置の測定誤差があるので、予め定められた航路と実際に飛ぶ航路との間には、ある程度の誤差がある。飛行の経過は、飛行ログに記憶される。飛行ログには、時刻とＵＡＶの位置（緯度・経度・高度）の情報が関連付けされて記憶される。
ＵＡＶは、外部から見やすい場所（ＴＳから探索され易い場所、例えばＵＡＶの下部）にＴＳからの探索用レーザー光と測距用レーザー光を受光し反射する専用の反射プリズムが取り付けられている。この反射プリズムは、ＴＳによる測量用の専用ターゲットであり、入射したレーザー光を入射した方向に反射する。
ＴＳは、ＧＮＳＳを用いた相対測位による高精度な位置測定装置、画像を取得するカメラ、ターゲット（上記の反射プリズム）を探索する探索用レーザースキャン機能、測距用レーザー光を用いてターゲットまでの距離を測距するレーザー測距機能、レーザー測距されたターゲットの角度（水平角と垂直角（仰角または俯角））を計測する機能を有する。ターゲットまでの距離と角度を計測することで、ＴＳに対するターゲットの位置を測定できる。ここで、ＴＳの位置が判っていれば、ターゲット（この場合はＵＡＶ）の地図座標系における位置（緯度・経度・高度）を知ることができる。これらの機能は、市販のＴＳが持っている機能であり、特別なものではない。これらＴＳに関する技術としては、例えば、特開2009-229192号公報や特開2012-202821号公報等に記載されている。なお、地図座標系というのは、地図情報を扱う座標系（例えば、緯度，経度，高度（標高）を扱う座標系）であり、例えばＧＮＳＳで得られる位置情報は通常地図座標系で記述される。
図１に示すようにＵＡＶの飛行高度は、飛行計画の高度からずれる傾向がある。これは、ＵＡＶが搭載する高度計測装置（ＧＮＳＳ装置および気圧高度計）に誤差があるからである。つまり、ＵＡＶが飛行計画通りに自律飛行したつもりであっても高度の計測誤差に起因して飛行計画からの高度のずれが発生する。
ＴＳでＵＡＶを追跡中にＴＳがＵＡＶを見失った場合、飛行計画に基づきＴＳがＵＡＶを探索するが、実際のＵＡＶの飛行には上記の飛行計画からの誤差があるので、ＵＡＶを見つけられない可能性がある。本実施形態では、上記の高度方向の誤差の影響を低減し、見失ったＵＡＶの探索効率を高める。
以下、本実施形態で利用するＴＳ（トータルステーション）の一例を説明する。図２には、ＴＳ（トータルステーション）１００のブロック図が示されている。ＴＳ１００において、ＵＡＶ探索範囲設定部２００以外の部分は、市販のＴＳと同じである。ＴＳ１００は、カメラ１０１、ターゲット探索部１０２、測距部１０３、水平・垂直角検出部１０４、水平・垂直角駆動部１０５、ＵＡＶ探索範囲設定部２００、データ記憶部１０６、位置特定部１０７、通信部１０８、ターゲット位置算出部１０９を備えている。
カメラ１０１は、ターゲット等の測量対象の動画像または静止画像を撮影する。カメラ１０１が撮影した画像のデータは、測距対象に係る測定時刻、測定角度、測定距離、測定対象の位置等のデータと関連付けされて適当な記憶領域に記憶される。本実施形態の場合、カメラ１０１により、ＵＡＶの画像が取得される。ターゲット探索部１０２は、扇形ビームを有した探索用レーザー光を用いたタ−ゲットの探索を行う。測距部１０３は、測距用レーザー光を用いたターゲットまでの距離の計測を行う。水平・垂直角検出部１０４は、測距部１０３が測距したターゲットの水平角と垂直角（仰角および俯角）を計測する。ターゲット探索部１０２および測距部１０３の光学系を備えた筐体部分は、水平回転および仰角（俯角）制御が可能であり、水平角と垂直角は、エンコーダにより計測される。このエンコーダの出力が水平・垂直角検出部１０４で検出され、水平角と垂直角（仰角および俯角）の計測が行われる。
水平・垂直角駆動部１０５は、ターゲット探索部１０２および測距部１０３の光学系を備えた筐体部分の水平回転および仰角制御（および俯角制御）を行うモータ、該モータの駆動回路、該駆動回路の制御回路を含む。ＵＡＶ探索範囲設定部２００は、飛行するＵＡＶを探索する際の探索範囲の設定に係る処理を行う。ＵＡＶ探索範囲設定部２００については後述する。データ記憶部１０６は、ＴＳ１００の動作に必要な制御プログラム、各種のデータ、測量結果等を記憶する。
位置特定部１０７は、ＧＮＳＳを用いたＴＳ１００の位置の特定を行う。位置特定部１０７は、相対測位を用いた高精度な位置の測定を行う。また、位置特定部１０７は、ＧＮＳＳ受信機を備え、捉えている航法衛星の情報を取得する。また、位置特定部１０７は、単独測位を行い、相対測位で求めたＴＳ１００の高さ方向の位置と単独測位で求めた高さ方向の位置の差をＴＳ１００側で検出した高さ誤差として特定する。なお、相対測位によるＴＳ位置の特定を行わない形態（例えば、単独測位しか利用できない場合等）も有り得る。その場合、ＵＡＶは飛行の「離陸時の高度を0」として予め設計した飛行高度に向う。この際、ＴＳは離陸時の位置から追尾を開始するか、離陸ポイントの高さを測定（プリズム測定、または、ノンプリズム測定によって）することで、離陸時の位置を把握し、以後の追尾を行う。この形態では、ＴＳ側で把握されるのは、ＵＡＶの絶対位置ではなく、ＴＳに対するＵＡＶの相対位置となる。
通信部１０８は、外部の機器との間で通信を行う。ＴＳ１００は、外部の端末（専用端末やスマートフォン等）による操作が可能であり、この際の通信を行う。通信の形態としては、無線通信や光通信が挙げられる。通信の規格は特に限定されず、利用可能な規格を利用できる。
ターゲット位置算出部１０９は、ターゲット（この場合は、ＵＡＶ）までの距離と角度からＴＳ１００に対するターゲットの位置（座標）を算出する。ここで、ターゲットまでの距離は、測距部１０３で得られ、ターゲットの角度は水平・垂直角検出部１０４で得られる。ＴＳ１００の位置は、位置特定部１０７で特定されるので、ＴＳ１００に対するターゲットの位置を求めることで、ターゲットの地図座標系における位置（この場合はＵＡＶの位置）を求めることができる。
（ＵＡＶ探索用制御部の構成）
以下、ＵＡＶ探索範囲設定部２００について説明する。図３には、ＵＡＶ探索範囲設定部２００のブロック図が示されている。ＵＡＶ探索範囲設定部２００は、ＣＰＵ、記憶部、各種のインターフェースを備えたコンピュータである。
図３に示す各機能部の一部または全部を専用の演算回路によって構成してもよい。また、ソフトウェア的に構成された機能部と、専用の演算回路によって構成された機能部を組み合わせてもよい。
例えば、図示する各機能部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）に代表されるＰＬＤ（Programmable Logic Device）などの電子回路により構成される。また、一部の機能を専用のハードウェアで構成し、他の一部を汎用のマイコンにより構成することも可能である。
各機能部を専用のハードウェアで構成するのか、ＣＰＵにおけるプログラムの実行によりソフトウェア的に構成するのかは、要求される演算速度、コスト、消費電力等を勘案して決定される。なお、機能部を専用のハードウェアで構成することとソフトウェア的に構成することは、特定の機能を実現するという観点からは、等価である。
ＵＡＶ探索範囲設定部２００は、機能部として記憶部２０１、測定位置取得部２０２、飛行予定位置取得部２０３、探索範囲設定部２０４、誤差比較部２０５を備えている。
記憶部２０１は、ＵＡＶに記憶される予め定めた航路のデータと同じものが記憶される。このデータは飛行計画のデータであり、飛行開始からの経過時間と位置の関係が記述されている。例えば、この予め定めた航路のデータでは、飛行開始を時間軸上の原点、位置Ｐｎを緯度・経度・高度を指定するデータとして、時刻ｔ１に位置Ｐ１、時刻ｔ２に位置Ｐ２、時刻ｔ３に位置Ｐ３・・・というように、刻々と飛行予定のルートが記述されている。
また、記憶部２０１には、ＵＡＶ探索範囲設定部２００を備えるＴＳ１００（図２参照）の位置のデータが記憶される。ＴＳ１００の位置は、予め相対測位法等のＧＮＳＳを用いた高精度位置計測方法を用いて位置測定部１０７により測定しておく。なお、飛行計画のデータを他の記憶装置や記憶媒体からＵＡＶ探索範囲設定部２００にダウンロードし、それを記憶部２０１に一時的に記憶する形態も可能である。
測定位置取得部２０２は、ＴＳ１００が測定したＵＡＶの位置情報（経度・緯度・高度）を取得する。ＴＳ１００によるＵＡＶの位置の測定は、ＴＳ１００のターゲット位置算出部１０９の機能によって求められる。なお、ＴＳ１００の絶対位置の取得を行わない場合、ＵＡＶの位置情報は、ＴＳ１００を原点する三次元座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標の値および／または極座標の値）となる。飛行予定位置取得部２０３は、予め取得したＵＡＶの飛行計画から、指定した時刻におけるＵＡＶの予定位置（緯度・経度・高度）を取得する。
探索範囲設定部２０４は、ＴＳ１００がＵＡＶを見失った際に、特定の時刻におけるＵＡＶの測定位置と飛行計画から得た飛行予定位置の差に基づき、前記ＵＡＶの探索範囲の設定を行う。この例では、位置として高度に着目する。これは、ＧＮＳＳを用いた位置の測定では、特に高さ方向の誤差が生じ易く、高さ方向の位置精度の向上が大きな課題であるからである。また、ＵＡＶは、気圧計を搭載し、気圧の計測値を用いた高度制御を行うが、気圧計による高度の測定は精度が高くなく、また天候等に起因する気圧の変動の影響を受けるので、この点でもＵＡＶの高度には、飛行計画からのずれが生じる。
ＵＡＶの測定位置（以下、測定高度）は、ＴＳ１００により測定された高度である。ＵＡＶは、ＧＮＳＳを利用して位置（高度）を計測しながら飛行しているので、測定誤差がなければ、測定高度と飛行計画の高度とは一致する。しかしながら、ＧＮＳＳから求めた高度の情報は誤差があり、また気圧から得られた高度情報にも誤差があるので、飛行計画の高度と測定した高度とは一致しない。そこで本実施形態では、探索範囲設定部２０４において以下の処理を行う。
まず、特定の時刻におけるＵＡＶのＴＳによる測定高度と飛行計画から得た飛行予定高度の差を検出する。この差の出方には、いくつかの形態がある。まず、この実測高度と予定高度の差の形態について説明する。以下においては、ＵＡＶで１秒毎にＧＮＳＳを用いた位置の計測を行い、他方でＴＳ１００の方でも１秒毎にＵＡＶの位置の測定を行う場合を考える。なお、ＵＡＶとＴＳ１００はＧＮＳＳの航法信号を同期信号として用いて同期して動作するものとする。もちろん、両者の動作が同期していなくてもよい。この場合は、近い時刻を同時刻として取り扱う。
まず、前提となる事項について説明する。ＵＡＶの飛行計画における高度をｈ１とする。そして、ＴＳ１００が測定したＵＡＶの高度をｈ２とする。また、ｈ１とｈ２の差の検出（比較）は、特定の時間間隔（例えば１秒毎や２秒毎）で行われる。
（差の出方の形態１）
ｈ１＜ｈ２とｈ１＞ｈ２が算出される頻度に特定の傾向がない。
（差の出方の形態２）
ｈ１＜ｈ２が算出される頻度が多い。
（差の出方の形態３）
ｈ１＞ｈ２が算出される頻度が高い。
ｈ１とｈ２の差が算出される形態には、大別して上記の３形態がある。これらの形態の違いは、ＧＮＳＳ受信機を搭載したＵＡＶの位置と対象となる複数の航法衛星の位置関係、電離層の状態、雲等の気象条件、太陽の位置等に起因する。ＵＡＶおよび航法衛星は動いているので、時間の経過に従って、上記の「差の出方の形態」は多様に変遷する。
探索範囲設定部２０４は、上記のｈ１とｈ２の関係に基づき、ＵＡＶの探索を行うための範囲を設定する。設定に当たっての処理には、以下の態様がある。
（第１の態様）
ＴＳ１００がＵＡＶを見失った際に、その時点に最も近いタイミングで行われたｈ１とｈ２の差のデータを用い、飛行予定位置を補正する。以下、具体的な例を説明する。いま、ＵＡＶを見失った時刻をｔ０とする。この場合、ｔ０に最も近い時刻におけるｈ２の高度（ＴＳ１００が計測したＵＡＶの高度）のままＵＡＶが飛ぶと予想し、飛行計画からｈ１とｈ２の差だけ飛行予定の高度をずらして探索領域を設定する。
例えば、ＵＡＶを見失う直前におけるｈ１とｈ２の関係がｈ１＜ｈ２であるとする。これは、ＵＡＶにおける高度の計測値ｈ２が飛行計画の予定高度ｈ１よりも高く算出された場合である。この場合、見失ったＵＡＶが予定高度よりも（ｈ２−ｈ１）だけ高い高度ｈ２で飛び続けると予測し、飛行計画から得た飛行予定位置から高度が（ｈ２−ｈ１）だけ高い空域を探索領域として設定する。つまり、ＴＳの測定値からＵＡＶ側で計測した高度の誤差を推定し、その分を勘案して探索領域の設定を行う。
以上が探索範囲の設定に関する詳細である。実際の処理では、ＵＡＶの予定飛行経路は、緯度，経度，高度で指定されているので、ＴＳ１００の位置を原点とした図４（Ａ）の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標表示を図４（Ｂ）の極座標時に変換し、ＴＳ１００から見たφとθの角度範囲を探索領域として設定する。ＴＳ１００は、設定されたφとθの探索領域に対応する設定角度範囲をスキャンして、その時点で追尾していないＵＡＶの探索を行う。これは、他の探索の態様の場合も同じである。
（第２の態様）
刻々と計算するｈ１とｈ２の差に特定の傾向が見いだせる場合、その傾向に基づいて探索領域の設定を行う。例えば、ＵＡＶを見失った時刻をｔ０とする。ここで、ｔ０に最も近い過去の計算時刻（ｈ１とｈ２の差を求める計算を行った時刻）をｔ０−１、次に近い過去の計算時刻をｔ０−２、次に近い過去の計算時刻をｔ０−３・・・ｔ０−ｎとする。
そして、ｔ０−ｎ〜ｔ０におけるΔｆ＝ｈ１―ｈ２の傾向を調べると、そこに特定の傾向が見つかったとする。例えば、Δｆが特定の範囲で周期的にぶれるように分布している場合や、Δｆが特定の範囲に高い確率（例えば、８割以上の確率）で存在している場合があるとする。この場合、上記の傾向がＵＡＶを見失った後も引き続いて発生すると予測し、この予測に基づく高度の空域を探索領域として設定する。なお、探索領域の設定において、水平方向の位置（経度，緯度）は、飛行計画に基づいた値を採用する。
（探索範囲設定部２０４の他の動作）
探索範囲設定部２０４は、以下の処理も可能である。この例において、探索範囲設定部２０４は、ＵＡＶ側生じる高さ方向の計測誤差を予測し、この予測に基づき見失ったＵＡＶの探索範囲の設定を行う。
ＴＳは、相対測位を用いた高精度の位置計測により、自身の位置をｃｍオーダーの精度で特定できる。また、単独測位も可能であり、ＵＡＶと同様な誤差を含んだ測位も当然可能である（これは、通常のＧＰＳ受信機の一般的な機能である）。本明細書で開示する技術では、ＴＳを用いて飛行するＵＡＶの位置を計測するが、ＵＡＶの飛行経路は自身の位置決め技術の誤差の影響を受けている。ここで、ＵＡＶ側での単独測位とＴＳ側での単独測位で同じ（あるいは近い）誤差を生じていれば、ＵＡＶ側での測位の誤差の発生をＴＳ側で予測できる。
特に高さ方向の測位の誤差は、航法衛星と測位位置との位置関係に起因するので、最大でも数百ｍ程度の距離しか離れていないＴＳ１００とＵＡＶとで、同様な誤差が生じる可能性が高い。そこで、後述するように、ＴＳ側で生じる高さ方向の誤差とＵＡＶ側で生じる高さ方向の誤差を比較し、その差が特定の条件を満たす場合に、ＴＳ１００においてＵＡＶで生じる高さ方向の誤差を推定できると判定する。
この場合、ＴＳ１００においてＵＡＶで生じる高度計測の誤差を推定し、それに基づき、見失ったＵＡＶの探索領域の高度を設定する。例えば、ＵＡＶを見失ってからの時間経過が長い場合、ＵＡＶの測位情報（これはＴＳの位置測定機能から得られる）を失ってから時間が経過しているので、上記の技術を用いてＴＳ１００で誤差の程度を見積もり、ＵＡＶの探索領域の設定を行う。
また、ＵＡＶを見失った後に利用する航法衛星の組み合わせに変化が見られ場合、例えば、一部の航法衛星をロストし、新たな航法衛星を用いた位置計測に切り替わった場合、ＵＡＶ自身が計測する位置情報の誤差が、それまでとは違う傾向を示す可能性が増大する。
例えば、ＵＡＶが航法衛星Ａ１〜Ａ５からの航法信号を利用して測位を行っている状態で、計測される高度が実際の高度より高めに算出される傾向が生じたとする。航法衛星は軌道上を移動しているので、上記の傾向も徐々に変化する。しかし、この変化には、ある程度の連続性がある。
ここで、航法衛星Ａ１，Ａ２をロストし、代わりに航法衛星Ａ３〜Ａ７を用いての測位に切り替わったとする。この場合、航法衛星とＵＡＶの相対位置関係が違う状況になるので、上記の誤差の傾向は非連続的に変化する可能性が高い。例えば、極端な例であるが、それまで上方向に出ていた誤差の傾向が下方向に誤差が生じる傾向に非連続に変化する。
第１の態様や第２の態様は、ＵＡＶを見失う前の情報に基づくので、ＵＡＶを見失った後に上記の航法衛星の切り替わりが生じた場合、ＵＡＶが予測とは異なる高度を取る可能性が生じる。この場合、ＴＳ側で航法衛星の切り替わりを検出し、ＴＳ側で新たな航法衛星を用いた測位を行い、その際に生じる高さ方向の測位誤差に基づくＵＡＶの探索範囲の設定を行う。こうすることで、航法衛星の切り替わりで生じた測位誤差の変化に対応できる。
誤差比較部２０５は、上述したＴＳ側で生じる高さ方向の誤差とＵＡＶ側で生じる高さ方向の誤差を比較し、その差が特定の条件を満たすか否かを判定する。以下、この判定について説明する。
この技術では、ＵＡＶ側の誤差はＴＳ側で直接検出できないが、ＴＳでＵＡＶの位置を特定しているので、飛行計画の高度とＴＳが測定したＵＡＶの高度の差をＵＡＶ側で生じた高度の誤差δＴＳとして取り扱う。
ＴＳ側で生じる高さ方向の誤差δＴＳとＵＡＶ側で生じる高さ方向の誤差δＵＡＶに許容できない差がある場合、ＴＳ側でのＵＡＶ側における高さ方向の測位誤差の推定は、推定誤差が大きく適切でない。他方で、ＴＳ側で生じる高さ方向の誤差δＴＳとＵＡＶ側で生じる高さ方向の誤差δＵＡＶが同一とみなせる場合（許容できる差以下である場合）、ＴＳ側でのＵＡＶ側における高さ方向の測位誤差を推定し、その推定値に基づき、見失ったＵＡＶの探索範囲の設定が可能となる。
誤差比較部２０５は、上記のδＴＳとδＵＡＶを比較し、その差が予め定めた閾値以下であるか否かを判定する。この処理は、特定の時間間隔で繰り返し行われる。そして、ＴＳがＵＡＶを見失い、δＴＳを用いた探索範囲の設定が必要になった時点で、その時点に最も近い時点で判定されていた上記比較の結果を参照し、その際のδＴＳとδＵＡＶの差が閾値以下であれば、δＴＳを用いた探索範囲の設定が行われる。
例えば、ＴＳの近くに大きな木があり、ＴＳが測位に利用する航法衛星の組み合わせと、上空を飛行するＵＡＶが測位に利用する航法衛星の組み合わせが異なる傾向が高い場合があるとする。この場合、δＴＳとδＵＡＶに差が生じる可能性が高く、ＴＳ側での測位誤差を用いてＵＡＶ側での測位誤差を推定する方法は推定誤差が大きくなる。誤差比較部２０５により、ＴＳ側での測位誤差を用いてＵＡＶ側での測位誤差を推定する方法の妥当性が判定される。
（処理の一例）
図３のＵＡＶ探索範囲設定部２００で行われる処理の一例を説明する。図５は、ＵＡＶ探索範囲設定部２００で行われる処理の手順の一例が示されている。図５の処理を実行するためのプログラムは、ＵＡＶ探索範囲設定部２００の記憶部２０１や適当な記憶媒体、あるいはネットワーク上のサーバ等に記憶され、そこから提供される。
図５の処理は、ＴＳ（ト―タルステーション）１００がＵＡＶを捕捉している状態から見失った段階で開始される。なお、図５の処理が開始される前の段階、すなわちＴＳ１００が飛行するＵＡＶを捕捉している段階において、誤差比較部２０５でのＴＳ側で生じる高さ方向の誤差とＵＡＶ側で生じる高さ方向の誤差の比較処理、および飛行計画と実測されたＵＡＶの高度の差の算出が特定の時間間隔で行われ、そのデータは、適当な記憶領域に記憶される。
ＴＳ１００がＵＡＶを捕捉し、追跡している状態でＴＳ１００がＵＡＶを見失うと、図５の処理が開始される。処理が開始されると、まずそれ以前におけるＴＳ１００によるＵＡＶの測定高度の情報が取得される（ステップＳ１０１）。この処理は、測定位置取得部２０２で行われる。次に、ＵＡＶの飛行計画から過去の各時刻における飛行高度の情報を取得する（ステップＳ１０２）。データを取得する期間は、例えば、ＵＡＶを見失った時刻から過去２分間とする。もちろんこの期間は、ユーザ側で自由に設定することができる。この処理は、飛行予定位置取得部２０３で行われる。
次に、各時刻におけるステップＳ１０１で得たＴＳ１００が実測した高度と、ステップＳ１０２で得た飛行計画から得た高度との差Δｈを算出する（ステップＳ１０３）。次に、ステップＳ１０３で求めたΔｈに基づき、見失ったＵＡＶを探索する範囲の設定を行う（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０３とＳ１０４の処理は、探索範囲設定部２０４で行われる。
探索範囲の設定では、まずΔｈに特定の傾向があるか調べ、特定の傾向があれば、その傾向が継続すると見なして、探索範囲の設定を行う。Δｈの出方に特定の傾向がなければ、ＵＡＶを見失った時刻に一番近い時刻におけるΔｈに基づき、探索範囲の設定を行う。例えば、±Δｈの高度範囲を探索範囲として、探索範囲を設定する。なお、水平面内における位置の推定は、飛行計画に基づきある程度広がりを持った範囲が選択される。探索範囲の設定では、探索範囲とそこを探索する時間の範囲が設定される。
次に、設定された探索範囲におけるＵＡＶの探索がＴＳ１００のターゲットの探索機能を用いて行われる（ステップＳ１０５）。ここで、ＵＡＶが捕捉できれば、処理を終了し（ステップＳ１０６）、予定した期間にＵＡＶが捕捉できなければ、ステップＳ１０７に進む。
ステップＳ１０７では、ＴＳ１００の位置測定部１０７が捕捉している航法衛星の情報から、ＵＡＶを見失った以後に利用する航法衛星に組み合わせに変更があったか否かの判定が行われる。利用する航法衛星の組み合わせに変更がなかった場合、それ以後におけるＵＡＶの再捕捉は困難であると判断され、処理を終了する。
利用する航法衛星の組み合わせに変更があった場合、ＴＳ１００で取得した高さ方向の測位誤差とＵＡＶ側での高さ方向の測位誤差とが同じ傾向であるか否かの判定が行われる（ステップＳ１０８）。この処理が誤差比較部２０５で行われる。
この処理では、まずＵＡＶを見失う時刻以前の特定の期間（例えば２分間）におけるＴＳ１００で取得した相対測位による高精度な測定高度と単独測位による低精度の測定高度との差の時間軸上における変動を誤差プロファイル１として取得する。また、それとは別に同期間における飛行計画上の高度とＴＳ１００が測定したＵＡＶの高度との差の時間軸上における変動を誤差プロファイル２として取得する。
そして、誤差プロファイル１と誤差プロファイル２を比較し、閾値を用いてその類似性を判定する。類似性があれば、同じ傾向で誤差が生じると見なし、ステップＳ１０９に進む。類似性がなければ、処理を終了する。
ステップＳ１０９では、ＴＳ１００で得た高さ方向の誤差に基づく、探索範囲の設定が行われ、その後、ＵＡＶの探索制御が行われる（ステップＳ１１０）。ステップＳ１０９における探索範囲の詳細は、基となる高さ方向の誤差の出所が違うだけであり、処理の内容はステップＳ１０４と同じである。
（優位性）
以上の実施形態によれば、ＴＳ（トータルステーション）を用いたＵＡＶの追跡において、ＧＮＳＳを用いた高度測定の誤差の影響を勘案して見失ったＵＡＶの探索を行うことで、ＵＡＶを再捕捉できる確率を高くできる。高さ方向の測位誤差を勘案せずにＵＡＶの探索を行った場合、測位誤差に起因して飛行計画とは異なる高度を飛行するＵＡＶを発見できない確率が高くなるが、高さ方向の測位誤差を勘案することで、ＵＡＶの発見確率を高くできる。
２．第２の実施形態
第１の実施形態において、ＴＳ１００の高精度の絶対位置を特定せずに、ＴＳ１００によるＵＡＶの追跡を行うこともできる。この場合、ＴＳの位置特定は単独測位で行われ、作業が簡素化される。この場合、最初にＴＳの設置位置の標高をＵＡＶ探索範囲設定部２００に入力する。標高の測定精度は高い程良いが、簡易測定でも構わない。
ＵＡＶの飛行開始時からＴＳ１００によるＵＡＶの追尾を行い、ＴＳ１００が測定した高度と飛行計画の高度との差を監視する。この場合、ＴＳ１００によるＵＡＶの測定高度は、最初に入力したＴＳ１００の設置位置の標高が基準となる。そして、ＴＳ１００がＵＡＶを見失ったら、図５のステップＳ１０１〜Ｓ１０５の処理を行いＵＡＶの探索を行う。この場合、ステップＳ１０７以下の処理は行わない。
安全上の観点から飛行中のＵＡＶを常に監視する技術が必要とされているが、この技術に本実施形態の技術が利用できる。この場合、ＵＡＶを追跡中のＴＳがＵＡＶを見失っても飛行計画に基づく高度補正を行いＵＡＶの探索を迅速に行える。
３．第３の実施形態
図３のＵＡＶ探索範囲設定部２００を独立した制御装置として構成することも可能である。この場合、図３に関連して説明したＵＡＶ探索範囲設定部２００が独立した装置となる。この制御装置は、ＴＳ（トータルステーション）と無線通信等の適当な通信回線で接続され、ＴＳの動作を制御する制御信号をＴＳに向かって出力する。この場合、ＴＳは外部からの動作制御が可能な形態のものを用いる。
ＵＡＶ探索範囲設定部２００を備えた制御装置は、専用のハードウェアで構成されていてよいし、ＰＣ，タブレット，スマートフォン等に動作用ソフトウェアをインストールすることで、図３の機能を実現する形態でもよい。また例えば、タブレットを用いる場合に、タブレットでは困難な演算は、外付け機器で行う形態とし、この外付け機器とタブレットを組み合わせてＵＡＶ探索用制御部をシステムとして構成することも可能である。これは、タブレットに限らず、ＰＣやスマートフォンの場合も同じである。また、遠隔地に配置されたサーバをＵＡＶ探索範囲設定部２００として動作させ、そこにインターネット回線等を介してタブレットやスマートフォンを用いてアクセスし、当該タブレットやスマートフォンを端末として、操作を行う形態も可能である。
また、図３の機能部を通信回線で接続された複数の独立したハードウェアで実現するシステムとして構成することも可能である。例えば、操作端末としてスマートフォンを用い、記憶部２０１としてサーバやＰＣを用い、その他の機能部を実現するハードウェアをＴＳに接続されるアダプタ形式の筐体に収めた補助装置とする。この補助装置は、上述したスマートフォンやサーバとインターネット回線等を利用して通信が可能であり、利用に際しては、飛行計画のデータを上述したサーバから上記の補助機器にダウンロードし、スマートフォンを操作端末として、前述した実施形態で説明した動作を行う。この場合、分散配置された機能部が通信を介して統合されて機能するシステムが構成される。そしてこのシステムにおいて、図５の処理が実行される。

Claims (9)

  1. ＧＮＳＳを利用した位置の特定を行う装置およびターゲットを搭載した無人航空機の探索が可能な測量装置であって、
    レーザー光を利用して前記ターゲットの位置を算出するターゲット位置算出部と、
    前記ターゲット位置算出部において得た前記ターゲットの位置に基づく前記無人航空機の測定位置の情報を取得する測定位置取得部と、
    前記無人航空機の飛行計画から前記無人航空機の飛行予定位置の情報を取得する飛行予定位置取得部と、
    特定の時刻における前記測定位置と前記飛行予定位置の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定を行う探索範囲設定部と
    を備える測量装置。
  2. 前記測定位置が測定高度であり、
    前記飛行予定位置が予定高度である請求項１に記載の測量装置。
  3. 前記測定高度と前記予定高度の差を求める処理が繰り返し行われ、
    前記測定位置取得部による前記無人航空機の測定位置の取得が行えなくなった際に、その時点に最も近い時点における前記測定高度と前記予定高度の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定が行われる請求項２に記載の測量装置。
  4. 前記測定高度と前記予定高度の差を求める処理が繰り返し行われ、
    前記予定高度と前記測定高度の差の時間経過における推移に基づき、前記探索範囲の設定が行われる請求項２に記載の測量装置。
  5. 当該測量装置の位置は相対測位により予め特定されており、
    当該測量装置の前記予め特定された位置と当該測量装置の設置位置における単独測位により特定された位置の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定を行う請求項２〜４のいずれか一項に記載の測量装置。
  6. 当該測量装置の前記予め特定された位置と当該測量装置の設置位置における単独測位により特定された位置の差Ａと前記特定の時刻における前記測定高度と前記予定高度の差Ｂを比較する比較部を備え、
    前記請求項５に記載の処理は、前記比較の結果が特定の条件を満足する場合に実行される請求項５に記載の測量装置。
  7. ＧＮＳＳを利用した位置の特定を行う装置およびターゲットを搭載した無人航空機の探索を行う方法であって、
    レーザー光を利用して前記ターゲットの位置を算出するターゲット位置算出ステップと、
    前記ターゲット位置算出ステップにおいて得た前記ターゲットの位置に基づく前記無人航空機の測定位置の情報を取得する測定位置取得ステップと、
    前記無人航空機の飛行計画から前記無人航空機の飛行予定位置の情報を取得する飛行予定位置取得ステップと、
    特定の時刻における前記測定位置と前記飛行予定位置の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定を行う探索範囲設定ステップと
    を有する無人航空機の探索方法。
  8. ＧＮＳＳを利用した位置の特定を行う装置およびターゲットを搭載した無人航空機の探索が可能な測量システムであって、
    レーザー光を利用して前記ターゲットの位置を算出するターゲット位置算出部と、
    前記ターゲット位置算出部において得た前記ターゲットの位置に基づく前記無人航空機の測定位置の情報を取得する測定位置取得部と、
    前記無人航空機の飛行計画から前記無人航空機の飛行予定位置の情報を取得する飛行予定位置取得部と、
    特定の時刻における前記測定位置と前記飛行予定位置の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定を行う探索範囲設定部と
    を備える測量システム。
  9. ＧＮＳＳを利用した位置の特定を行う装置およびターゲットを搭載した無人航空機の探索をコンピュータに行なわせるためのプログラムであって、
    コンピュータに
    レーザー光を利用して前記ターゲットの位置を算出するターゲット位置算出ステップと、
    前記ターゲット位置算出ステップにおいて得た前記ターゲットの位置に基づく前記無人航空機の測定位置の情報を取得する測定位置取得ステップと、
    前記無人航空機の飛行計画から前記無人航空機の飛行予定位置の情報を取得する飛行予定位置取得ステップと、
    特定の時刻における前記測定位置と前記飛行予定位置の差に基づき、前記無人航空機の探索範囲の設定を行う探索範囲設定ステップと
    を実行させるプログラム。
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